[论文解读] Design, Modelling and Validation of a Novel Extra Slender Continuum Robot for In-situ Inspection and Repair in Aeroengine

Mingfeng Wang, Xin Dong+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2019

Soft Robotics and Applications参考文献 21被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新型16自由度、超细长（直径与长度之比<0.02）的双级肌腱驱动连续体机器人，专为喷气发动机燃烧室内的原位检测与维修而设计。该机器人集成了锥形盘、刚柔结合关节以及每2自由度节段三根缆绳驱动，实现了精确的形状控制与可调刚度，其性能通过分段恒曲率运动学模型和考虑弯曲角度相关摩擦的基尔霍夫弹性杆静力学模型得到验证。

ABSTRACT

In-situ aeroengine maintenance works are highly beneficial as it can significantly reduce the current maintenance cycle which is extensive and costly due to the disassembly requirement of engines from aircrafts. However, navigating in/out via inspection ports and performing multi-axis movements with end-effectors in constrained environments (e.g. combustion chamber) are fairly challenging. A novel extra-slender (diameter-to-length ratio &lt;0.02) dual-stage continuum robot (16 degree-of-freedom) is proposed to navigate in/out confined environments and perform required configuration shapes for further repair operations. Firstly, the robot design presents several innovative mechatronic solutions: (i) dual-stage tendon-driven structure with bevelled disks to perform required shapes and to provide selective stiffness for carrying high payloads; (ii) various rigid-compliant combined joints to enable different flexibility and stiffness in each stage; (iii) three commanding cables for each 2-DoF section to minimise the number of actuators with precise actuations. Secondly, a segment-scaled piecewise-constant-curvature-theory based kinematic model and a Kirchhoff-elastic-rod-theory based static model are established by considering the applied forces/moments (friction, actuation, gravity and external load), where the friction coefficient is modelled as a function of bending angle. Finally, experiments were carried out to validate the proposed static modelling and to evaluate the robot capabilities of performing the predefined shape and stiffness.

研究动机与目标

• 为解决在不完全拆卸发动机的情况下执行喷气发动机原位检测与维修的挑战。
• 设计一种能够通过狭窄检测孔并在高精度、受限空间内实现复杂构型的机器人。
• 通过创新的机电一体化设计实现可调刚度与高承载能力。
• 开发能够考虑摩擦、驱动、重力及外部载荷的精确运动学与静力学模型。
• 通过实验测试验证机器人在形状精度与刚度控制方面的性能。

提出的方法

• 采用双级肌腱驱动结构并结合锥形盘，实现精确的形状形成与可调刚度，从而实现高承载能力。
• 刚柔结合的复合关节可在不同机器人阶段提供可变的柔性和刚度。
• 每个2自由度节段采用三根控制缆绳，减少执行器数量，同时确保精确驱动。
• 基于分段缩放的分段恒曲率理论的运动学模型可预测在驱动作用下的机器人构型。
• 基于基尔霍夫弹性杆理论的静力学模型综合考虑了外力（摩擦、驱动、重力、外部载荷），其中摩擦系数建模为弯曲角度的函数。
• 实验验证了静力学模型，并评估了机器人实现预设形状与刚度等级的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使连续体机器人在超受限的喷气发动机环境中实现高灵活性与高承载能力？
• RQ2 何种运动学模型能准确预测具有可变曲率的超细长多段连续体机器人的构型？
• RQ3 此类机器人中摩擦如何随弯曲角度变化？如何建模以提高精度？
• RQ4 采用最少数量执行器的肌腱驱动设计是否可在16自由度系统中实现精确的形状控制与可调刚度？
• RQ5 所提出的静力学模型在综合载荷条件下对实际机器人行为的预测能力如何？

主要发现

• 该机器人成功通过了受限的发动机通道，并以高重复性实现了预设的复杂构型。
• 分段恒曲率运动学模型对机器人形状的预测与实验数据偏差极小，具有高准确性。
• 考虑角度相关摩擦的基尔霍夫弹性杆静力学模型与实验测得的力-位移数据高度吻合。
• 通过机械设计实现了可调刚度，使机器人在维修任务中能够稳定承载负载。
• 实验验证证实，该模型在各种载荷条件下对形状与刚度的预测均具有高准确性。
• 每个2自由度节段采用三根缆绳驱动，有效减少了执行器数量，同时保持了精确控制与良好的动态响应。